Panimula

Ang mga mala-kristal na katawan ay isa sa mga uri ng mineral.

Ang mga solid ay tinatawag na mala-kristal, ang mga pisikal na katangian na kung saan ay hindi pareho sa iba't ibang direksyon, ngunit nag-tutugma sa parallel na direksyon.

Ang pamilya ng mga mala-kristal na katawan ay binubuo ng dalawang grupo - mga solong kristal at polycrystal. Ang dating minsan ay may geometrically correct na panlabas na hugis, habang ang huli, tulad ng mga amorphous na katawan, ay walang partikular na hugis na likas sa isang partikular na substance. Ngunit hindi tulad ng mga amorphous na katawan, ang istraktura ng polycrystals ay heterogenous, butil-butil. Ang mga ito ay isang koleksyon ng mga random na nakatuon na maliliit na kristal na magkakaugnay sa bawat isa - mga kristal. Ang polycrystalline na istraktura ng cast iron, halimbawa, ay maaaring makita sa pamamagitan ng pagsusuri sa isang fractured sample na may magnifying glass.

Iba-iba ang laki ng mga kristal. Marami sa kanila ay makikita lamang gamit ang isang mikroskopyo. Ngunit may mga higanteng kristal na tumitimbang ng ilang tonelada.

Ang istraktura ng mga kristal

Ang iba't ibang mga kristal sa anyo ay napakalaki. Ang mga kristal ay maaaring magkaroon ng mula apat hanggang ilang daang facet. Ngunit sa parehong oras, mayroon silang isang kahanga-hangang pag-aari - anuman ang laki, hugis at bilang ng mga mukha ng parehong kristal, lahat ng mga patag na mukha ay nagsalubong sa isa't isa sa ilang mga anggulo. Ang mga anggulo sa pagitan ng kaukulang mga mukha ay palaging pareho. Ang mga rock salt crystal, halimbawa, ay maaaring may hugis ng isang kubo, isang parallelepiped, isang prisma, o isang katawan ng isang mas kumplikadong hugis, ngunit ang kanilang mga mukha ay palaging nagsalubong sa tamang mga anggulo. Ang mga mukha ng kuwarts ay may hugis ng hindi regular na hexagons, ngunit ang mga anggulo sa pagitan ng mga mukha ay palaging pareho - 120°.

Ang batas ng katatagan ng mga anggulo, na natuklasan noong 1669 ng Dane Nikolai Steno, ay ang pinakamahalagang batas ng agham ng mga kristal - crystallography.

Ang pagsukat ng mga anggulo sa pagitan ng mga mukha ng kristal ay may malaking praktikal na kahalagahan, dahil sa maraming mga kaso ang likas na katangian ng mineral ay maaaring mapagkakatiwalaan na matukoy mula sa mga resulta ng mga sukat na ito. Ang pinakasimpleng instrumento para sa pagsukat ng mga anggulo ng mga kristal ay isang inilapat na goniometer. Ang paggamit ng isang inilapat na goniometer ay posible lamang para sa pag-aaral ng malalaking kristal, at ang katumpakan ng mga sukat na ginawa sa tulong nito ay mababa din. Napakahirap tukuyin, halimbawa, ang mga calcite at saltpeter na kristal, katulad ng hugis at pagkakaroon ng mga anggulo sa pagitan ng kani-kanilang mga mukha na katumbas ng 101°55" para sa una at 102°41.5" para sa pangalawa, gamit ang isang inilapat na goniometer. Samakatuwid, sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo, ang mga pagsukat ng mga anggulo sa pagitan ng mga kristal na mukha ay karaniwang ginagawa gamit ang mas kumplikado at tumpak na mga instrumento.

Ang mga kristal ng regular na geometric na hugis ay bihira sa kalikasan. Ang pinagsamang pagkilos ng mga hindi kanais-nais na mga kadahilanan tulad ng pagbabagu-bago ng temperatura at malapit na kapaligiran ng mga kalapit na solido ay hindi nagpapahintulot sa lumalagong kristal na makuha ang katangian nitong hugis. Bilang karagdagan, ang isang makabuluhang bahagi ng mga kristal, na sa malayong nakaraan ay may perpektong hiwa, pinamamahalaang mawala ito sa ilalim ng impluwensya ng tubig, hangin, alitan laban sa iba pang mga solido. Kaya, maraming mga bilugan na transparent na butil na makikita sa buhangin sa baybayin ay mga kristal na kuwarts na nawala ang kanilang mga mukha bilang resulta ng matagal na alitan laban sa isa't isa.

Mayroong ilang mga paraan upang malaman kung ang isang solid ay isang kristal. Ang pinakasimpleng sa kanila, ngunit napaka hindi angkop para sa paggamit, ay natuklasan bilang isang resulta ng hindi sinasadyang pagmamasid sa pagtatapos ng ika-18 siglo. Ang French scientist na si Renne Gayuy ay aksidenteng nalaglag ang isa sa kanyang mga kristal. Matapos suriin ang mga fragment ng kristal, napansin niya na marami sa kanila ay pinababang mga kopya ng orihinal na sample.

Ang kahanga-hangang pag-aari ng maraming mga kristal, kapag dinurog, upang magbigay ng mga fragment na katulad ng hugis sa orihinal na kristal, ay nagbigay-daan kay Hayuy na mag-hypothesize na ang lahat ng mga kristal ay binubuo ng maliliit na particle, hindi nakikita sa isang mikroskopyo, siksikan sa mga hilera, na may tamang geometric na hugis na likas sa sangkap na ito. Ipinaliwanag ni Gajuy ang pagkakaiba-iba ng mga geometric na hugis hindi lamang sa pamamagitan ng iba't ibang hugis ng "mga brick" kung saan binubuo ang mga ito, kundi pati na rin sa iba't ibang paraan ng paglalagay nito.

Tamang sinasalamin ng hypothesis ni Hayuy ang kakanyahan ng kababalaghan - ang ayos at siksik na pag-aayos ng mga elemento ng istruktura ng mga kristal, ngunit hindi nito sinagot ang ilang mahahalagang tanong. May limitasyon ba ang form saving? Kung mayroon, ano ang pinakamaliit na "brick"? Ang mga atomo at molekula ba ng bagay ay may hugis ng polyhedra?

Bumalik noong ika-18 siglo Ang English scientist na si Robert Hooke at Dutch scientist na si Christian Huygens ay nagbigay-pansin sa posibilidad na bumuo ng regular na polyhedra mula sa mga bolang nakaimpake nang mahigpit. Iminungkahi nila na ang mga kristal ay binuo mula sa mga spherical na particle - mga atom o molekula. Ang mga panlabas na anyo ng mga kristal, ayon sa hypothesis na ito, ay bunga ng mga katangian ng siksik na pag-iimpake ng mga atomo o molekula. Anuman ang mga ito, ang mahusay na siyentipikong Ruso na si M.V. ay dumating sa parehong konklusyon noong 1748. Lomonosov.

Kapag ang mga bola ay pinakasiksik sa isang patag na layer, ang bawat bola ay napapalibutan ng anim na iba pang bola, na ang mga sentro ay bumubuo ng isang regular na hexagon. Kung ang pagtula ng pangalawang layer ay isinasagawa kasama ang mga butas sa pagitan ng mga bola ng unang layer, kung gayon ang pangalawang layer ay magiging pareho sa una, ang offset lamang na nauugnay dito sa espasyo.

Ang pagtula ng ikatlong layer ng mga bola ay maaaring gawin sa dalawang paraan. Sa unang paraan, ang mga bola ng ikatlong layer ay inilalagay sa mga butas na matatagpuan nang eksakto sa itaas ng mga bola ng unang layer, at ang ikatlong layer ay lumabas na isang eksaktong kopya ng una. Ang kasunod na pag-uulit ng pagsasalansan ng mga layer sa paraang ito ay nagreresulta sa isang istraktura na tinutukoy bilang isang hexagonal na close-packed na istraktura. Sa pangalawang paraan, ang mga bola ng ikatlong layer ay inilalagay sa mga butas na hindi eksakto sa itaas ng mga bola ng unang layer. Sa ganitong paraan ng pag-iimpake, ang isang istraktura ay nakuha, na tinatawag na isang kubiko na malapit na nakaimpake na istraktura. Ang parehong mga pack ay nagbibigay ng volume fill rate na 74%. Walang ibang paraan ng pag-aayos ng mga bola sa espasyo sa kawalan ng kanilang pagpapapangit na nagbibigay ng mas malaking antas ng pagpuno ng dami.

Sa pamamagitan ng pag-stack ng mga bola ng hilera sa pamamagitan ng hilera gamit ang hexagonal close packing method, ang isang regular na hexagonal prism ay maaaring makuha, ang pangalawang paraan ng pag-iimpake ay humahantong sa posibilidad ng pagbuo ng isang cube mula sa mga bola.

Kung ang prinsipyo ng malapit na pag-iimpake ay nagpapatakbo sa pagtatayo ng mga kristal mula sa mga atomo o molekula, kung gayon, tila, ang mga kristal sa kalikasan ay dapat mangyari lamang sa anyo ng mga hexagonal prisms at cubes. Ang mga kristal ng anyong ito ay talagang karaniwan. Ang hexagonal na siksik na packing ng mga atom ay tumutugma, halimbawa, sa hugis ng mga kristal ng zinc, magnesium, cadmium. Ang kubiko na siksik na packing ay tumutugma sa hugis ng mga kristal ng tanso, aluminyo, pilak, ginto at isang bilang ng iba pang mga metal.

Ngunit ang pagkakaiba-iba ng mundo ng mga kristal ay hindi nangangahulugang limitado sa dalawang anyo na ito.

Ang pagkakaroon ng mga kristal na anyo na hindi tumutugma sa prinsipyo ng pinakamalapit na pag-iimpake ng pantay na laki ng mga bola ay maaaring magkaroon ng iba't ibang dahilan.

Una, ang isang kristal ay maaaring itayo sa malapit na packing ngunit may mga atomo na may iba't ibang laki o may mga molekula na ibang-iba sa spherical. Ang mga atomo ng oxygen at hydrogen ay spherical sa hugis. Kapag ang isang oxygen atom at dalawang hydrogen atoms ay pinagsama, ang kanilang mga electron shell ay interpenetrate. Samakatuwid, ang molekula ng tubig ay may hugis na makabuluhang naiiba sa spherical. Kapag ang tubig ay tumigas, ang siksik na pag-iimpake ng mga molekula nito ay hindi maaaring gawin sa parehong paraan tulad ng pag-iimpake ng mga bolang magkapareho ang laki.

Pangalawa, ang pagkakaiba sa pagitan ng pag-iimpake ng mga atomo o molekula at ang pinakasiksik na pag-iimpake ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mas malakas na mga bono sa pagitan ng mga ito sa ilang mga direksyon. Sa kaso ng mga atomic na kristal, ang direksyon ng mga bono ay tinutukoy ng istraktura ng mga panlabas na shell ng elektron ng mga atomo, sa mga molekular na kristal, ng istraktura ng mga molekula.

Sa halip mahirap maunawaan ang istraktura ng mga kristal gamit lamang ang mga volumetric na modelo ng kanilang istraktura. Sa pagsasaalang-alang na ito, ang paraan ng paglalarawan ng istraktura ng mga kristal gamit ang isang spatial crystal lattice ay kadalasang ginagamit. Ito ay isang spatial grid, ang mga node kung saan nag-tutugma sa posisyon ng mga sentro ng mga atomo (molekula) sa kristal. Ang ganitong mga modelo ay nakikita sa pamamagitan ng, ngunit walang maaaring matutunan mula sa kanila tungkol sa hugis at sukat ng mga particle na bumubuo sa mga kristal.

Sa gitna ng kristal na sala-sala ay namamalagi ang isang elementarya na cell - isang pigura ng pinakamaliit na sukat, ang sunud-sunod na paglipat nito ay maaaring bumuo ng buong kristal. Upang natatanging makilala ang isang cell, kailangan mong tukuyin ang mga sukat ng mga gilid nito a, b, at c at ang mga anggulo at sa pagitan ng mga ito. Ang haba ng isa sa mga tadyang ay tinatawag na lattice constant, at ang buong hanay ng anim na dami na tumutukoy sa cell ay tinatawag na mga parameter ng cell.

Mahalagang bigyang-pansin ang katotohanan na ang karamihan sa mga atomo, at para sa maraming uri ng kristal na sala-sala, kahit na ang bawat atom ay hindi kabilang sa isang elementarya na selula, ngunit sabay-sabay na bahagi ng ilang kalapit na mga selulang elementarya. Isaalang-alang, halimbawa, ang unit cell ng isang rock salt crystal.

Para sa elementarya na cell ng isang rock salt crystal, kung saan ang buong kristal ay maaaring itayo sa pamamagitan ng paglipat sa espasyo, ang bahagi ng kristal na ipinapakita sa figure ay dapat kunin. Sa kasong ito, dapat itong isaalang-alang na mula sa mga ion na matatagpuan sa mga tuktok ng cell, isang ikawalo lamang ng bawat isa sa kanila ang nabibilang dito; mula sa mga ions na nakahiga sa mga gilid ng cell, nagmamay-ari ito ng isang-kapat ng bawat isa; ng mga ion na nakahiga sa mga mukha, ang bawat isa sa dalawang katabing mga selula ng yunit ay bumubuo ng kalahati ng ion.

Kalkulahin natin ang bilang ng mga sodium ions at ang bilang ng mga chlorine ions na bahagi ng isang elementary cell ng rock salt. Ang cell ay ganap na nagmamay-ari ng isang chlorine ion, na matatagpuan sa gitna ng cell, at isang quarter ng bawat isa sa 12 ions na matatagpuan sa mga gilid ng cell. Kabuuang mga chloride ions sa isang cell 1+12*1/4=4. Sodium ions sa isang unit cell - anim na kalahati sa mga mukha at ikawalo sa mga tuktok, kabuuang 6*1/2+8*1/8=4.

Ang paghahambing ng mga yunit ng cell ng mga kristal na sala-sala ng iba't ibang uri ay maaaring isagawa ayon sa iba't ibang mga parameter, kung saan madalas na ginagamit ang atomic radius, packing density, at ang bilang ng mga atom sa isang unit cell. Ang atomic radius ay tinukoy bilang kalahati ng distansya sa pagitan ng mga sentro ng pinakamalapit na kalapit na mga atomo sa isang kristal.

Ang fraction ng volume na inookupahan ng mga atom sa isang unit cell ay tinatawag na packing density.

Ang pag-uuri ng mga kristal at ang paliwanag ng kanilang mga pisikal na katangian ay naging posible lamang sa batayan ng isang pag-aaral ng kanilang simetrya. Ang doktrina ng simetrya ay ang batayan ng lahat ng crystallography.

Para sa isang dami ng pagtatasa ng antas ng mahusay na proporsyon ay ang mga elemento ng mahusay na proporsyon - axes, eroplano at ang sentro ng mahusay na proporsyon. Ang axis ng symmetry ay isang haka-haka na tuwid na linya, kapag pinaikot sa 360 °, ang kristal (o ang sala-sala nito) ay pinagsama sa sarili nito nang maraming beses. Ang bilang ng mga pagkakahanay na ito ay tinatawag na pagkakasunud-sunod ng axis.

Ang eroplano ng mahusay na proporsyon ay ang eroplano na pinuputol ang kristal sa dalawang bahagi, na ang bawat isa ay isang salamin na imahe ng isa't isa.

Ang eroplano ng simetrya, kumbaga, ay gumaganap bilang isang dalawang-daan na salamin. Maaaring magkaiba ang bilang ng mga simetrya na eroplano. Halimbawa, mayroong siyam sa isang kubo, at anim sa mga snowflake ng anumang hugis.

Ang sentro ng mahusay na proporsyon ay ang punto sa loob ng kristal kung saan ang lahat ng mga palakol ng mahusay na proporsyon ay nagsalubong.

Ang bawat kristal ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na kumbinasyon ng mga elemento ng simetrya. Dahil sa ang katunayan na ang bilang ng mga elemento ng simetrya ay maliit, ang problema sa paghahanap ng lahat ng posibleng mga anyo ng mga kristal ay hindi walang pag-asa. Ang namumukod-tanging Russian crystallographer na si Evgraf Stepanovich Fedorov ay itinatag na 230 lamang na magkakaibang mga kristal na sala-sala na may symmetry axes ng ikalawa, ikatlo, ikaapat at ikaanim na pagkakasunud-sunod ang maaaring umiral sa kalikasan. Sa madaling salita, ang mga kristal ay maaaring magkaroon ng anyo ng iba't ibang mga prisms at pyramids, na maaaring batay lamang sa isang regular na tatsulok, parisukat, paralelogram at hexagon.

E.S. Si Fedorov ang nagtatag ng crystal chemistry, isang agham na tumatalakay sa pagtukoy ng kemikal na komposisyon ng mga kristal sa pamamagitan ng pag-aaral sa hugis ng mga mukha at pagsukat ng mga anggulo sa pagitan nila. Ang pagsusuri ng kristal na kemikal, kumpara sa pagsusuri ng kemikal, ay karaniwang tumatagal ng mas kaunting oras at hindi humahantong sa pagkasira ng sample.

Marami sa mga kontemporaryo ni Fedorov ay hindi lamang naniniwala sa pagkakaroon ng mga kristal na sala-sala, ngunit kahit na nag-alinlangan sa pagkakaroon ng mga atomo. Ang unang pang-eksperimentong ebidensya ng bisa ng mga konklusyon ni Fedorov ay nakuha noong 1912 ng German physicist na si E. Laue. Ang pamamaraan na kanyang binuo para sa pagtukoy ng atomic o molekular na istraktura ng mga katawan gamit ang X-ray ay tinatawag na X-ray diffraction analysis. Ang mga resulta ng pag-aaral ng istraktura ng mga kristal gamit ang X-ray diffraction analysis ay pinatunayan ang katotohanan ng pagkakaroon ng lahat na kinakalkula ng E.S. Fedorov crystal lattices. Ang teorya ng pamamaraang ito ay masyadong kumplikado upang isaalang-alang sa isang kurso sa pisika ng paaralan.

Ang isang visual na representasyon ng panloob na istraktura ng mga kristal ay ibinibigay ng isang bagong kapansin-pansin na aparato para sa pag-aaral ng istraktura ng mga kristal - isang ion microprojector, na naimbento noong 1951. Ang aparato ng isang microprojector ay katulad ng aparato ng isang TV kinescope (puc.5) . Ang inimbestigahang metal na kristal ay matatagpuan sa isang lalagyan ng salamin sa anyo ng pinakamanipis na karayom ​​1 na may diameter na humigit-kumulang 10 -5 -10 -6 cm. Ang luminescent screen 2 ay matatagpuan sa tapat ng dulo ng karayom, na may kakayahang kumikinang kapag binomba. sa pamamagitan ng mabilis na mga particle. Pagkatapos ng masusing paglisan ng hangin mula sa lobo, isang maliit na halaga ng helium ang ipinapasok dito. Ang boltahe na humigit-kumulang 30,000 V ay inilalapat sa pagitan ng karayom ​​at ng screen.

Kapag ang mga atomo ng helium ay bumangga sa dulo ng isang positibong sisingilin na karayom, isang electron ang nahiwalay sa kanila, at sila ay nagiging mga positibong ion. Kadalasan, ang banggaan ng mga atomo ng helium ay nangyayari sa mga nakausli na seksyon ng ibabaw ng dulo - "na may mga indibidwal na atom o grupo ng mga atom na lumalabas" ng metal na sala-sala. Samakatuwid, ang helium ionization ay pangunahing nangyayari malapit sa naturang mga protrusions. Mula sa bawat protrusion-atom, ang ion pagkatapos ng ion ay lumilipad sa mga tuwid na linya sa direksyon ng negatibong sisingilin na cathode 3. Kapag pinindot nila ang screen, nagiging sanhi ito ng pagkinang, na lumilikha ng imahe ng ibabaw ng tip na pinalaki hanggang 10 7 beses . Ang tuldok-tuldok na linya ng mga light tuldok sa litrato ay ang larawan ng gilid ng mga hakbang ng mga layer ng mga atom, at ang mga light tuldok mismo ay mga indibidwal na atomo sa tuktok ng mga hakbang. Ang buong larawan ay mahusay na nagbibigay ng periodicity at simetrya ng pag-aayos ng mga atomo sa isang kristal.

Depende sa uri ng mga yunit ng istruktura ng isang sangkap, mayroong mga frame (atomic), metal, ionic at molekular na istruktura. Mayroon ding mga pinagsamang uri ng mga istruktura.

AT kuwadro istraktura, ang mga atomo ng isa o higit pang kemikal na elemento ay iniuugnay sa pamamagitan ng covalent chemical bond. Bilang resulta, ang pagpili ng isang partikular na istraktura ay idinidikta ng oryentasyon ng mga link. Walang mga nakahiwalay na grupo ng mga atomo sa istraktura; ang isang network ng mga covalent bond ay sumasaklaw sa buong istraktura. Ang pinakakilalang halimbawa ng isang substance na may istraktura ng skeletal ay brilyante. Ang unit cell ng brilyante ay ipinapakita sa fig. 8.7. Ang mga carbon atom ay matatagpuan sa mga vertices ng isang cubic cell, ang mga sentro ng lahat ng mga mukha, at sa isang pattern ng checkerboard ay sumasakop sa mga sentro ng apat sa walong cube kung saan maaaring hatiin ang isang unit cell. Mula sa mga atomo na ito sa loob ng cell, ang mga covalent bond ay nakadirekta nang tetrahedral sa carbon atom sa isa sa mga vertices at tatlong carbon atoms sa mga mukha. Ang mga distansya sa pagitan ng lahat ng carbon atoms ay 154 pm. Maraming mga sangkap ang may mga istrukturang tulad ng diyamante. Kabilang sa mga ito ay silicon, silicon carbide SiC, zinc sulfide (zinc blende) ZnS. Sa sangkap na ito, ang mga atomo ng zinc ay matatagpuan sa mga vertices at sa mga mukha ng unit cell, at ang mga atomo ng asupre ay sumasakop sa mga lugar sa loob ng cell. Kaya, ang istraktura ng sangkap na ito, na tradisyonal na tinutukoy bilang mga asin, ay hindi ionic, ngunit balangkas.

Ang isang kristal ng isang sangkap na may istraktura ng balangkas ay maaaring ituring bilang isang solong molekula. Ang mga naturang sangkap ay nagpapakita ng thermal stability, halos hindi matutunaw sa tubig, may mataas na mga punto ng pagkatunaw at katigasan.

metal ang istraktura ay naiiba sa istraktura ng frame dahil ang pag-aayos ng mga atom ay natutukoy hindi sa direksyon ng mga bono, ngunit sa pamamagitan lamang ng kondisyon ng pinakamalapit na pag-iimpake ng mga atomic sphere. Para sa karamihan ng mga metal, tatlong uri lamang ng unit cell ang katangian - cubic na nakasentro sa katawan, kubiko na nakasentro sa mukha at compact na hexagonal. Maraming mga metal ang nagpapakita polymorphism, binabago ang istraktura ng kristal kapag pinainit.

kanin. 8.7.

ang mga wedge ay nagpapakita ng mga bono sa pagitan ng mga carbon atom sa loob ng isang cell

Ionic ang istraktura ay binuo mula sa mga alternating ions na may mga singil sa tapat ng sign. Ang sodium chloride ay may ganitong uri ng istraktura (tingnan ang Fig. 2.8). Ang mga posisyon ng sodium at chloride ions ay ganap na mapagpapalit. Maaaring ilagay ang mga chlorine ions sa mga vertices ng cell at sa mga sentro ng mga mukha. Pagkatapos ang mga sodium ions ay nasa gitna ng mga tadyang at sa gitna ng cell. Maaari mong gawin ang kabaligtaran, i.e. palitan ang lahat ng mga ion. Ang nasabing istraktura ay maaaring ilarawan bilang dalawang nakasentro sa mukha na mga sala-sala - isa na may Na + ions at ang isa ay may C1~ ions - na ipinasok ang isa sa isa na may displacement na kalahati ng haba ng gilid ng kubo.

Ang hitsura ng isa o isa pang ionic na istraktura ay pangunahing nakasalalay sa mga singil ng mga ion at ang ratio ng kanilang radii. Sa cesium chloride, isang mas mabibigat na metal na alkali kaysa sa sodium, ang radius ng kation ay makabuluhang tumaas, bilang isang resulta kung saan ang bilang ng koordinasyon nito ay tumaas sa walo. Sa isang cubic cell, ang bawat cesium ion ay napapalibutan ng walong chloride ions (Fig. 8.8). Ang istrukturang ito ay maaari ding ilarawan bilang dalawang cubic lattice na nabuo ng mga cesium ions at chlorine ions, na ipinasok ang isa sa isa upang ang isang ion ng isang uri ay nasa gitna ng isang cell na may mga ions ng ibang uri.

kanin. 8.8.

Ang mga sangkap na may isang ionic na istraktura ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na mga punto ng pagkatunaw dahil sa makabuluhang enerhiya ng electrostatic na atraksyon ng mga ion. Maraming mga ionic na sangkap ang lubos na natutunaw sa tubig.

Mga sangkap na may molekular ang mga istraktura ay naiiba nang husto mula sa mga isinasaalang-alang sa itaas sa pamamagitan ng mababang mga punto ng pagkatunaw. Kabilang sa mga ito ang mga likido at gas. Ang mga pag-aaral ng X-ray diffraction ng naturang mga sangkap ay nagpapakita ng mga maiikling interatomic na distansya sa loob ng mga molekula at makabuluhang pinahabang distansya sa pagitan ng parehong mga atomo sa iba't ibang mga molekula. Halimbawa, sa iodine 1 2 crystals (Larawan 8.9), ang distansya sa pagitan ng mga atomo sa isang molekula ay 272 pm, ang distansya sa pagitan ng mga molekula sa isang layer ay 350 nm, at ang pinakamalapit na distansya sa pagitan ng mga atomo na matatagpuan sa iba't ibang mga layer ay 397 pm.

kanin. 8.9.

Ang mga sangkap na binubuo ng mga polyatomic molecule ay bumubuo ng napakakomplikadong istruktura. Kung walang X-ray na pag-aaral, magiging imposible lamang na maunawaan ang kanilang istraktura. Maaalala natin ang mga molekula ng DNA na mayroong double helical na istraktura. Ang pagpapasiya ng kanilang istraktura ay nagbukas ng isang bagong yugto sa pag-unlad ng biology.

Ito ay malinaw na ang isang molekula ay hindi matatagpuan sa isang node ng kristal na istraktura, dahil ito ay isang tiyak na hanay ng mga atomo. Sa fig. 8.10 bilang isang halimbawa, ang istraktura ng complex compound |Pt (CN) 2 (NH 3) (NH 2 CH 3) | ay ibinigay. Ang elementarya na cell ay kinakatawan bilang isang projection sa kahabaan ng axis U. Ang mga vertex ng cell ay hindi inookupahan ng mga atomo. Ang mga planar na molekula ng kumplikadong tambalan ay nakikita mula sa gilid sa projection. Ang may tuldok na linya ay nagpapakita ng mga bono ng hydrogen sa pagitan ng mga molekula ng ammonia sa iba't ibang mga molekula ng kumplikadong tambalan. Ang mga axis ng symmetry ng pangalawang order ay tumatakbo parallel sa axis U. Ang isa sa kanila ay dumadaan sa gitna ng cell. Ang walong molekula sa isang unit cell ay matatagpuan sa dalawang antas sa kahabaan ng axis Sa sa pattern ng checkerboard. Ang halimbawang ito ay nagbibigay ng ideya ng pagiging kumplikado ng mga istrukturang molekular.

kanin. 8.10.Projection ng unit cell ng isang complex compound sa kahabaan ng axisY

Ang panloob na istraktura ng mga kristal ay ang paksa ng buhay na buhay na talakayan na sa pinakadulo simula ng pagbuo ng crystallography. Noong siglo XVIII. Si R. J. Hayuy, batay sa katotohanan na ang calcite ay maaaring hatiin sa arbitraryong maliliit na rhombohedron, ay iminungkahi na ang mga kristal ng mineral na ito ay binuo mula sa hindi mabilang na maliliit na brick ng ganitong uri at na ang lahat ng iba pang mga mukha, bilang karagdagan sa mga mukha ng rhombohedron, ay nabuo sa pamamagitan ng isang regular na “retreat » ng mga brick na ito mula sa eroplano ng kaukulang "pader", upang ang mga iregularidad ay napakaliit na ang mga mukha ay lumilitaw na optically smoothly. Ang pagtatatag ng batas ng rationality ng mga indeks, na wasto para sa lahat ng mga kristal, ay ginawa itong ganap na malinaw na ang lahat ng mga kristal ay binuo sa ganitong paraan, ibig sabihin, sa pamamagitan ng walang katapusang pag-uulit ng mga elementarya na selula. Gayunpaman, ang pagpapalawak ng kaalaman tungkol sa atomic na istraktura ng bagay ay naging mas malinaw na ang elementarya na selula ay hindi maituturing na isang solidong ladrilyo ng Gajuy; sa halip, maaari itong maihalintulad sa isang elemento ng isang pattern - isang three-dimensional na "motif", ang paulit-ulit na pag-uulit nito ay lumilikha ng isang buong kristal: tulad ng isang two-dimensional na motif ay paulit-ulit sa pattern ng wallpaper sa dingding. Ang tatlong-dimensional na elemento ng pattern ay ang elementarya na cell ng kristal. Ang mga atom na pumapasok sa unit cell ay tumutukoy sa komposisyon ng nagresultang kristal, at ang kanilang lokasyon sa cell at ang kanilang laki ay tumutukoy sa nagresultang kristal na morpolohiya. Samakatuwid, madaling maunawaan ang dahilan para sa kawalan ng fivefold symmetry at symmetry na mas mataas kaysa sa anim na beses sa mga kristal: kahit na nagsasalita lamang ng isang eroplano, madaling isipin na ang tanging mga figure na maaaring mapuno ng tama ang isang eroplano ay maaari lamang mga parisukat, parihaba, parallelograms, equilateral triangles at regular na hexagons. .

Ang geometric na teorya ng tatlong-dimensional na mga istraktura ng ganitong uri ay ganap na binuo noong huling siglo. Gayunpaman, hanggang sa katapusan ng unang dekada ng ating siglo, hindi maaaring pag-aralan ng mga crystallographer ang mga istrukturang ito nang direkta at alam nilang ito ay dahil sa maliit na sukat ng mga cell ng yunit kumpara sa mga wavelength ng nakikitang liwanag. Noong 1912, napatunayan ni M. von Laue at ng kanyang mga katulong sa unang pagkakataon na ang isang X-ray beam na dumadaan sa isang kristal ay sumasailalim sa diffraction. Ang diffracted beam ay bumuo ng isang pattern na binubuo ng mga spot sa photographic plate, ang simetrya nito ay direktang nauugnay sa simetrya ng kristal na nasa landas ng sinag na ito. Ang pamamaraan ng Laue bilang isang paraan ng pag-aaral ng mga istrukturang kristal ay napabuti at pinalitan ng iba pang mga pamamaraan na nagpapahintulot sa mga espesyalista sa kristal na X-ray na matukoy ang laki at hugis ng unit cell ng karamihan sa mga kristal na sangkap, pati na rin ang lokasyon ng mga nilalaman ng ang cell na ito. Sa X-ray powder diffraction, ang isang X-ray beam ay dumaan sa isang maliit na sample ng materyal na dinurog sa isang napakapinong pulbos. Ang isang diffractogram (Debyegram) ay nakuha, na isang pattern ng mga linya, ang pamamahagi at intensity na kung saan ay katangian ng kristal na istraktura; napatunayang lubhang kapaki-pakinabang ang pamamaraang ito para sa pagtukoy sa pagiging tunay ng mga gemstones (ang kinakailangang maliit na halaga ng materyal ay maaaring matanggal sa pamigkis ng isang ginupit na bato nang hindi nagdudulot ng malaking pinsala dito). Gayunpaman, hindi namin kailangang ilarawan nang detalyado ang lahat ng mga pamamaraan dito, kahit na ang kaalaman sa ilan sa mga resulta ng pagsusuri ng X-ray diffraction ay kapaki-pakinabang para sa pag-unawa sa mga katangian ng mga mahalagang materyales.

Lektura 10

Ang istraktura ng mga solido. Mga prinsipyo ng paglalarawan ng mga istrukturang kristal

Karamihan sa mga sangkap sa paligid natin ay nasa solidong estado. Ang ilang mga solid ay may ningning at maaaring ma-deform kapag malamig - ang mga ito ay tinutukoy bilang mga metal. Ang iba ay mga kristal na may regular na mala-kristal na mga mukha at malinaw na cleavage plane, ang ilan sa mga ito ay inuri bilang mga asin, o mga ionic na kristal, at ilan sa mga covalent na kristal. Ang isang bilang ng iba pang mga solid ay malambot at nagpapanatili ng marami sa mga katangian ng mga molekula ng gas kung saan sila na-condensed - sila ay mga molekular na kristal.

Ang naobserbahang kristal na istraktura ng mga solido (pag-aayos ng mga atomo sa isang yunit ng cell) ay tinutukoy ng posisyon ng pinakamababang enerhiya ng system bilang isang function ng mga coordinate ng mga atomic center. Sa pangkalahatan, ang pag-minimize na ito ay nangangailangan ng mga kalkulasyon ng quantum-kemikal para sa isang hanay ng mga posibleng atomic na posisyon at sa gayon ay isang medyo kumplikadong pamamaraan sa matematika. Gayunpaman, sa ilang mga kaso (na may hindi nakadirekta na unsaturated na puwersa ng interatomic na pakikipag-ugnayan - sa purong ionic, van der Waals o mga metal na kristal), ang paglalarawan ng istraktura ng kristal ay maaaring makabuluhang pasimplehin kung isasaalang-alang natin ang mga atomo bilang matibay na mga bola na may tiyak (katangian para sa isang ibinigay na atom sa isang ibinigay na estado ng pagsingil) para sa isang partikular na uri ng interatomic na pakikipag-ugnayan) sa pamamagitan ng radii. Ang ganitong diskarte, na may malinaw na pagtatantya, tulad ng ipinakita kanina, para sa mga kristal na may mga ionic at van der Waals na mga bono ay maaaring mabigyang-katwiran sa pamamagitan ng isang matalim na pagtaas sa enerhiya ng mutual repulsion kapag ang mga atomo ay lumalapit sa isa't isa sa isang estado ng kapansin-pansing overlapping ng mga shell ng elektron. at sa pamamagitan ng liit ng enerhiya na ito sa malalaking interatomic na distansya.

Ang mga solid, hindi katulad ng mga likido at gas, ay nailalarawan sa pamamagitan ng paglaban sa mga deformation ng gupit, na nagpapahintulot sa sangkap na mapanatili ang hugis nito sa ilalim ng pagkilos ng mga panlabas na puwersa. Ang tampok na ito ay malapit na nauugnay sa pangmatagalang katangian ng interatomic na pakikipag-ugnayan, na humahantong sa isang ayos na pagkakaayos ng mga particle (mga atom, molekula, o ion) na bumubuo sa isang solidong katawan. Pinakamataas na antas ng pagkakasunud-sunod - malayong pagkakasunud-sunod, ibig sabihin, ang isang mahigpit na pana-panahong pag-uulit ng tamang pag-aayos ng mga particle sa anumang punto ng isang solidong katawan ay natanto sa mga kristal, habang ang mga amorphous na solid ay nailalarawan lamang sa pamamagitan ng mas malapitutos- regular na pag-aayos ng mga particle sa mga distansyang hindi lalampas sa ilang interatomic na distansya. Bilang kinahinatnan, ang paglipat ng mga amorphous solids sa isang likidong estado, sa kaibahan sa mga kristal, ay nangyayari nang tuluy-tuloy, at sa ganitong kahulugan, ang mga amorphous na katawan (halimbawa, mga baso) ay minsan ay itinuturing na mga supercooled na likido.

Isaalang-alang ang tatlong klase ng mga sangkap: molecular crystals, covalent crystals at metals.

Ipinapakita ng Figure 1 kung alin sa mga klaseng ito ang kinabibilangan ng mga kristal ng mga elemento ng periodic system. Mayroon lamang 15 elemento na walang alinlangan na nagbubunga ng mga molekular na kristal (sa kanang itaas na bahagi ng talahanayan), at mga 70 elemento ng metal (sa kaliwa sa talahanayan). Sa pagitan ng mga metal at molekular na kristal ay mga elemento na kinabibilangan ng mga covalent na kristal, pati na rin ang ilang mga solido na mahirap uriin. Ang ilang elemento (gaya ng arsenic at antimony) ay may parehong molekular at metal na anyo. Ang Phosphorus ay nagbibigay din ng parehong covalent at molekular na kristal. Ang mga elemento ng hangganan na ito ay lalong mahalaga dahil sa kanilang intermediate na kalikasan, at bibigyan natin sila ng espesyal na pansin.

Ang mga compound ng dalawang magkaibang di-metal ay palaging bumubuo ng mga molekular o covalent na kristal. Ang kumbinasyon ng isang metal at isang non-metal ay karaniwang bumubuo ng isang ionic o covalent na kristal. Ang dalawang metal ay maaaring bumuo ng isa o higit pang mga metal na compound, o (mas madalas) isang serye ng mga metal na solusyon, kung saan ang isang elemento ay natunaw sa isa.

Ang mga regularidad ng istraktura ng mga non-metallic na kristal ay inilarawan tuntunin (8-N) Hume-Rothery, ayon sa kung saan ang numero ng koordinasyon ng isang atom (ang bilang ng mga bono kung saan ang isang atom ay konektado sa pinakamalapit na mga atomo) CN = 8 - N, saan N- numero ng pangkat sa maikling panahon na bersyon ng periodic table.

Dahil ang panuntunan ay batay sa ideya ng katatagan ng isang electronic octet at isang pares ng elektron na gumagawa ng isang solong covalent bond, ang panuntunan ay may bisa lamang para sa mga elemento ng pangunahing mga subgroup simula sa pangkat IV.

Halimbawa, sa mga kristal ng mga elemento ng ika-6 na pangkat (S, Se) CN =8 - 6=2; kaya, alinman sa mga molekula ng singsing (S8 sa orthorhombic at monoclinic sulfur) o mahabang polymer chain (S¥ sa plastic sulfur at selenium) ay makikita sa istraktura. Ang mga atomo sa mga singsing at kadena ay magkakaugnay sa pamamagitan ng mga covalent bond, at ang mga puwersa ng van der Waals ay kumikilos sa pagitan ng mga kadena at singsing.

Para sa mga kristal ng mga elemento ng pangkat VII, CN = 8-7 = 1, na humahantong sa isang kristal na binubuo ng mga diatomic na molekula, halimbawa, I2. Ang mga atomo sa isang molekula ay pinag-uugnay ng isang covalent bond, at ang mga molekula ay pinagsama sa isang kristal sa pamamagitan ng mga puwersa ng van der Waals.

Gayunpaman, hindi lahat ng elementarya na kristal ay may isang molekular na uri ng bono. Makikita na sa kaso lamang ng mga elemento IV ng pangunahing subgroup (mas tiyak, C, Si, Ge) ang mga kristal na may eksklusibong covalent bond ay maaaring mabuo, dahil ang koordinasyon bilang 4, na nagmula sa panuntunan 8 - N, sapat na upang itali ang lahat ng mga atomo ng kristal sa isang tatlong-dimensional na network ng mga covalent bond. Ang pangunahing tampok ng naturang mga elementarya na kristal ay ang kanilang pagkahilig sa polymorphism at, bilang isang resulta, ang pagkakaiba-iba ng kanilang mga katangian (Larawan 2). Ang mga matatag na pagbabago ng mga elementong ito ay mga covalent crystal na may mataas na mekanikal na katangian (Young's modulus, shear modulus, lakas, tigas), pati na rin ang mataas na mga punto ng pagkatunaw at pagkulo. Isang tipikal na halimbawa: silikon, sa kristal na sala-sala kung saan (tinatawag din itong isang brilyante na sala-sala), ang bawat atom sa estado ng sp3 hybridization ay napapalibutan ng isang tetrahedron ng kalapit na mga atomo ng silikon. Ang ganitong matibay na three-dimensional na network ng mga tetrahedral bond ay nagbibigay ng mataas na katatagan ng kristal na sala-sala. Ang kristal na silikon ay may mataas na punto ng pagkatunaw (1420 °C) at punto ng kumukulo (3300 °C), pambihirang lakas at paglaban sa kemikal (hindi matutunaw sa mga solusyon sa tubig at acid).

Nasabi na natin na karamihan sa mga simple at kumplikadong sangkap sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay mga solido. Ang isa sa pinakamahalagang gawain ng solid state chemistry ay ang pagtatatag ng ugnayan sa pagitan ng istruktura ng mga solido at ng kanilang mga katangian.

Hayaan mong ipaalala ko sa iyo iyon Ang istraktura ng kristal ay ang tiyak na pag-aayos ng mga atomo sa isang kristal. Ang pag-aayos na ito ay naa-average sa paglipas ng panahon at espasyo at tumutugma sa average na statistical maxima ng electron o nuclear density ng kristal.

Ang idealized na mathematical form ng pag-aayos ng mga atomo sa isang kristal, na inilarawan ng set mga posisyon ng atom sa loob ng kristal na sala-sala at isa sa 230 mga pangkat ng simetrya ng espasyo, tumutugma perpektong istraktura. Makilala nang lubusan nakaayos na mga istraktura, kung saan ang bawat atomic na posisyon ay ganap na inookupahan ng mga atomo ng parehong uri, at hindi maayos na mga istruktura kung saan may mga atomic na posisyon na hindi ganap na inookupahan ng isang-uri ng mga atomo. Ang iba't ibang aspeto ng istraktura ng kristal ay isinasaalang-alang sa loob ng balangkas ng iba't ibang mga modelo ng istraktura. Mga Lokal na Tampok mga microstructure pagkikita ng kristal tunay na istraktura. Sa eksperimento, ang istraktura ng kristal ay tinutukoy ng mga pamamaraan pagsusuri sa istruktura.

Tinutukoy ng istraktura ng kristal (panloob na istraktura) ang multifaceted na hugis ng kristal (panlabas na istraktura).

Ang kristal ay isang solidong katawan na nailalarawan sa pagkakaroon ng parehong short-range at long-range order. Ito ang equilibrium form ng solid state of matter.

Ang lahat ng mga kristal nang walang pagbubukod ay may istraktura ng sala-sala. Upang isipin ang gayong sala-sala, punan ng isip ang espasyo ng isang set ng pantay na parallelepipeds, parallel oriented at hawakan sa buong mukha. Ang pinakasimpleng halimbawa ng naturang gusali ay isang pagmamason ng mga brick, na malapit na nakakabit sa bawat isa. Kung sa loob ng bawat parallelepiped ay pipiliin natin ang kaukulang mga punto (halimbawa, ang kanilang mga sentro ng grabidad o vertices), makakakuha tayo ng isang modelo spatial na grid. Sa mga partikular na istrukturang kristal, ang mga site ng spatial lattice node ay maaaring punan ng mga indibidwal na atomo o ion, o mga grupo ng mga atomo - mga molekula. Ang mga tuwid na linya kung saan ang mga particle ay nakaayos sa isang sala-sala ay tinatawag mga hilera, at ang mga eroplanong nakaupo na may mga particle ay tinatawag flat grids. Ang mga flat grids, row, vertices ay tumutugma sa mga mukha, mga gilid ng kristal.

Ang kristal na sala-sala ay isang tatlong-dimensional na pag-aayos ng mga particle ng materyal (mga atom, ion, molekula) na bumubuo sa isang kristal.

Karaniwan, ang pagkakapareho ng mga direksyon ng coordinate ay maaaring ipakita sa anyo ng mga vector ng yunit - mga kaliskis a, b, c - kasama ang kaukulang coordinate axes X, Y, Z.

Tatlong posibilidad para sa ratio ng mga unit vector - a = b = c, a = b ≠ c, at ¹ sa ¹ c - nagpapahintulot sa amin na hatiin ang crystallographic coordinate system sa tatlong grupo - tatlong kategorya ng mga kristal:

· kristal ng pinakamataas na kategorya(a = b = c) ay nailalarawan sa pamamagitan ng kumpletong pagkakapareho ng mga coordinate axes, na nauugnay sa pagkakaroon ng ilang mas mataas na pagkakasunud-sunod na mga ax sa mga pangkat ng simetrya ng naturang mga kristal;

· mga kristal ng katamtamang grado(а = в ≠ с) ay nailalarawan sa pamamagitan ng bahagyang equivalence ng mga coordinate axes na nauugnay sa presensya sa kanilang mga grupo ng isang axis lamang ng mas mataas na pagkakasunud-sunod;

· mas mababang grado na kristal(a ≠ b ≠ c) ay nailalarawan sa pamamagitan ng kumpletong hindi pagkakapantay-pantay ng mga direksyon ng coordinate, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng kawalan ng mas mataas na pagkakasunud-sunod na mga palakol sa kanila.

Isinasaalang-alang ang mga angular na relasyon sa bawat isa sa mga nakalistang kategorya, maaari nating makuha ang lahat crystallographic coordinate system (syngoniya).

Ang mga symmetry class na may iisang coordinate frame ay pinagsama sa isang pamilya na tinatawag na syngony, o system.

Sa kabuuan, mayroong 32 iba't ibang pangkat ng crystallographic point, na kinabibilangan ng iba't ibang kumbinasyon ng mga closed symmetry na operasyon. Ang mga pangkat ng puntong ito ay inuri ayon sa kanilang pag-aari sa mga crystallographic system.

Crystallographic	Mga ugnayan sa pagitan ng mga gilid ng unit cell	Mga pangkat ng puntos
Triclinic	a ≠ b ≠ c a ≠ b ≠ g ≠ 90°
Monoclinic	a ≠ b ≠ c a = b = 90° ≠ g	2, (sa isang direksyon lamang sa Z-axis). m
Orthogonal (orthorhombic)	a ≠ b ≠ c a = b = g = 90°
tetragonal	a = b = g = 90°	4, , 4/m, 422, 4mm, 2m, 4/mmm (ang 4th order axis ay tumatakbo lamang sa kahabaan ng Z axis)
Trigonal at hexagonal		6, , 6/m, 622, 6mm, m2, 6/mmm (ang 3rd (6th) order axis ay tumatakbo lamang sa kahabaan ng Z axis)
kubiko	a = b = g = 90°	23, m3, 432, 4m, m3m (4 na axes ng 3rd order ang pumasa sa mga volume diagonal ng unit cell)

Ang sistema ng mga katumbas na posisyon ay isang hanay ng mga puntos na isinasalin sa isa't isa ng mga elemento ng simetrya ng isang partikular na pangkat ng punto.

Ang bilang ng mga puntos na kasama sa isang ibinigay na SES ay tinatawag na multiplicity ng system o ang multiplicity ng mga posisyon. O - ang multiplicity ay ang bilang ng mga puntos na nakuha sa pamamagitan ng pagpaparami ng kanilang mga elemento ng simetrya.

Tinatawag ang posisyon pribado, kung ang punto ay matatagpuan sa anumang elemento ng mahusay na proporsyon: sa axis, sa eroplano ng mahusay na proporsyon, sa isang solong punto ng pagbabaligtad, sa gitna ng mahusay na proporsyon.

Tinatawag ang posisyon pangkalahatan kung ang punto ay wala sa isang elemento ng simetrya.

Ang mga atomo sa isang kristal ay maaaring konektado hindi lamang sa pamamagitan ng saradong mga elemento ng simetrya, kundi pati na rin ng mga bukas na elemento ng simetrya.

Ang isang set ng tatlong non-coplanar vectors ay tinatawag na pangkat ng pagsasalin o isang kristal na sala-sala.

Mga vector a,b, na may tinatawag na transfer vectors o mga pagsasalin, at ang kanilang moduli ay tinatawag na lattice identity periods.

Isang parallelepiped na binuo sa mga vectors a,b, s, ay tinatawag na lattice repetition box.

Ang mga bumubuo ng elemento ng sala-sala ay ang mga node nito, mga nodal row at nodal grids.

Ang spatial na sala-sala ay isang geometric na imahe na sumasalamin sa tatlong-dimensional na periodicity ng pamamahagi ng mga atomo sa istrukturang kristal.

Ang sala-sala ay ibinibigay ng anumang isang uri ng mga atomo.

Upang tukuyin ang isang sala-sala, kailangan mong pumili ng isang parallelepiped na lubos na sumasalamin sa lahat ng mga tampok ng sala-sala na ito, bilang pinakamaliit na link nito, ibig sabihin, kailangan mong pumili ng elementarya na cell.

Ang elementary cell ay isang repeatability box na binuo sa pinakamaikling pagsasalin kasama ang crystallographic coordinate system.

Ang tatlong posibleng ratio ng vector ay − a = b = c, a = b ¹ c, a ¹ b ¹ c– gawing posible na hatiin ang crystallographic coordinate system, at, dahil dito, 32 symmetry classes sa tatlong kategorya ng mga kristal:

1. kristal ng pinakamababang kategorya (a ¹ b ¹ c) ay nailalarawan sa pamamagitan ng kumpletong hindi pagkakapantay-pantay ng mga direksyon ng coordinate, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng kawalan ng mas mataas na pagkakasunud-sunod na mga palakol sa kanila. Ito ay sumusunod mula sa kundisyon ng hindi pagkakapantay-pantay ng mga direksyon ng coordinate na ang pinakamababang kategorya ay kinabibilangan lamang ng mga klase na walang mga axes ng mas mataas na pagkakasunud-sunod..gif" width="13" height="20 src=">) o ang kumpletong kawalan ng mga elemento ng simetrya (1).

2. mga kristal ng gitnang kategorya (a = b ¹ c) ay nailalarawan sa pamamagitan ng bahagyang pagkakapareho ng mga coordinate axes na nauugnay sa presensya sa kanilang mga symmetry group ng isang axis lamang ng mas mataas na pagkakasunud-sunod. Mula sa kondisyon ng pagkakapareho ng dalawang pahalang na direksyon (a = b) sumusunod na ang simetrya ng mga kristal ng gitnang kategorya ay inilarawan ng mga pangkat na may isang solong mas mataas na pagkakasunud-sunod na axis: . Ang vertical coordinate axis ay nakahanay sa axis na ito. z, at ang dalawa pa ay x at y- ay pinili sa isang eroplano patayo sa pangunahing axis. Samakatuwid, ang mga anggulo sa pagitan ng pangunahing axis at mga axes x at y mga tuwid na linya, ibig sabihin, a = b = 90°. Anggulo g sa pagitan ng mga palakol x at y ay tinutukoy ng pagkakasunud-sunod ng pangunahing axis at katumbas ng 90° sa kaso ng 4th order axis at 120° sa kaso ng 3rd at 6th order axes. Samakatuwid, sa gitnang kategorya, dalawang sistema ng coordinate ang nakikilala, na tumutugma sa dalawang syngonies.

3. kristal ng pinakamataas na kategorya (a = b = c) ay nailalarawan sa pamamagitan ng kumpletong pagkakapareho ng mga coordinate axes, na nauugnay sa pagkakaroon ng ilang mas mataas na pagkakasunod-sunod na axes sa kanilang mga symmetry group.

Kaya, sa tatlong pagsasalin na ito, maaari kang bumuo ng elementary parallelepiped - isang elementary cell. Mga pagpipilian a, b, c, a, b, g- elementarya na mga parameter ng cell.

Paalalahanan kita mga panuntunan para sa pagpili ng unit cell (mga panuntunan para sa pagpili ng crystallographic coordinate axes).

1. Ang napiling cell ay dapat na may lattice symmetry.

2. Ang mga crystallographic axes ay nakadirekta sa mga nodal row.

3. Ang mga crystallographic coordinate axes ay pinagsama sa mga espesyal na direksyon, i.e. may symmetry axes ng 2nd order at mas mataas (kung mayroon man).

4. Ang iba pang mga bagay ay pantay, ang elementarya na cell ay dapat may pinakamababang volume.

Kung pipili tayo ng anumang punto sa tatlong-dimensional na espasyo (hindi kinakailangang materyal) at ituring itong isa sa mga sala-sala node, kung gayon ang lahat ng mga punto ng puwang na ito na magkapareho (pisikal at geometriko) sa orihinal ay nasa natitirang mga node ng sala-sala.

Sa puntong ito sala-sala‑ito ay isang pagpapahayag ng mala-kristal na estado ng bagay, dahil ang anumang mala-kristal na substansiya, kahit na wala ng anumang iba pang mga elemento ng simetrya, ay palaging may ganitong pangunahing elemento ng simetrya - isang sala-sala, o isang istraktura ng sala-sala.

Tulad ng anumang parallelepipedal system, ang isang three-dimensional na sala-sala ay may isang bilang ng sarili nitong mga katangian ng symmetry. Ito ay palaging centrosymmetric, habang ang mga sentro ng inversion ay matatagpuan pareho sa mga node ng sala-sala - sa mga vertices ng parallelepipeds, at sa mga midpoint ng mga distansya sa pagitan nila. Ang mga axes ng mas mataas na mga order ay hindi maaaring hindi sinamahan ng mga eroplano ng simetriko intersecting kasama ang mga ito. Ang mga symmetry axes mismo ay limitado lamang sa pamamagitan ng mga crystallographic order, i.e. n= 1, 2, 3, 4, 6. Ang huling kundisyon ay katangi-tanging pumipili lamang ng 32 crystallographic na mga pangkat ng punto mula sa isang walang katapusang bilang ng mga pangkat ng punto na naglalarawan sa simetrya ng may hangganan na mga inisyal na numero.

Ang mga pangkat ng point symmetry ng sala-sala bilang isang geometric na imahe ay tumutugma sa pinakamataas- holohedral-klase ng bawat syngoniya.

Ang isang three-dimensional na sala-sala ay maaaring katawanin ng tatlong non-coplanar translation vector, na nangangahulugang ang parallelepiped na binuo sa mga vectors na ito ay kahon ng repeatability- kalooban sala-sala cell. Upang ang parallelepiped ay magsilbi bilang isang katangian ng cell ng anumang sala-sala, ibig sabihin, upang maipakita ang mga pangunahing tampok ng simetrya nito, kinakailangan na ang mga gilid nito (translation vectors) ay tumutugma sa mga espesyal na direksyon ng maximum symmetry, ibig sabihin, sa mga direksyon ng crystallographic coordinate axes. Ang cell na pinili sa ganitong paraan ay tinatawag Bravais cell o yunit cell. Ang uri at simetrya ng cell ay makikita sa pangalan nito, na ipinapadala nito, at sa kaukulang spatial na sala-sala (Larawan 3). Dahil ang hugis ng Bravais cell ay tinutukoy ng coordinate frame, pitong sala-sala ng iba't ibang simetrya (, , mmm, https://pandia.ru/text/80/189/images/image013_92.gif" width="46" height="41 src="> .gif" width="14" height="19 src=">m) ay maaaring katawanin ng anim na uri ng parallelepipeds (dahil ang hexagonal lattices ay inihahatid ng parehong coordinate frame, at samakatuwid ay sa pamamagitan ng Bravais cells ng parehong hugis - parallelepipeds na may 120-degree na rhombus sa base).

Upang makilala ang uri ng sala-sala, kinakailangan at sapat na ipahiwatig ang dalawang tampok nito:

1. crystallographic system;

2. uri ng cell na "pagsentro".

Ang mga elementary cell ay maaaring:

1. primitive - ang mga node ay mga cell vertices lamang;

2. centered - may mga karagdagang node na hindi nakahiga sa vertices ng cell.

Figure 3 - Mga Uri ng Bravais gratings

Kung ang mga crystallographic axes ay napili nang tama, kung gayon ang mga karagdagang node ay posible hindi sa anumang lugar, ngunit lamang sa mahigpit na tinukoy na mga posisyon. Gayunpaman, ang bilang ng mga posibleng pagpipilian ay maliit. Ang mga di-primitive na sala-sala ay tinatawag nakasentro.

Ang mga hindi primitive (nakasentro) na sala-sala ay maaaring nasa uri:

I - body-centered (ang node ay nasa gitna ng volume)

C (A, B) - base-centered (dalawang magkatapat na mukha ang nakasentro)

F - nakasentro sa mukha (ang mga karagdagang node ay nasa gitna ng lahat ng mukha)

R - dalawang beses na nakasentro sa katawan (dalawang karagdagang node ang naghahati sa volume diagonal sa tatlong pantay na bahagi)

Ang mga patakaran na namamahala sa pagpili ng mga coordinate system sa mga grupo ng iba't ibang crystallographic system (syngony) ay naghihigpit sa iba't ibang paraan sa mga paraan ng pagsentro ng kanilang mga sala-sala.

Upang ilarawan ang simetrya ng mga istrukturang kristal, ginagamit ang konsepto ng "grupo ng espasyo".

Ang hanay ng mga elemento ng simetrya ng istraktura ng kristal ay tinatawag na pangkat ng espasyo.

Upang ilarawan ang isang istraktura ay nangangahulugang tukuyin ang:

2) Bravais grating type;

3) uri ng formula ng kemikal;

4) CN at koordinasyon polyhedra;

5) bilang ng mga yunit ng formula, atbp.

6) mga katangian ng istraktura ayon sa uri ng kemikal na bono;

7) katangian ng istraktura sa pamamagitan ng geometric na tampok;

8) istraktura sa mga tuntunin ng PSHU-PSHK;

9) pangunahing mga coordinate ng mga atomo;

10) pangkat ng espasyo at uri ng istruktura.

Ang istraktura ng mga metal, kasama ang istraktura ng mga di-metal na elementarya na kristal, ay ipinapakita sa Figure 4.

Ang ilalim na linya ng bawat parisukat ay nagpapahiwatig ng form na stable sa temperatura ng silid, at ang mga form na natanto sa mas mataas na temperatura ay sumusunod sa itaas.

Ang abbreviation na fcc ay nagsasaad ng isang face-centered cubic structure na may pinakamalapit na packing ng mga atom, ang bcc ay kumakatawan sa body-centered cubic structure, ang hcp ay kumakatawan sa isang hexagonal na istraktura na may pinakamalapit na packing ng mga atom.

Ang mga istruktura ng fcc at hcp ay pinakamalinaw na inilarawan sa mga tuntunin ng pinakasiksik na spherical packing (CS) na modelo, na unang iminungkahi noong 1926 ni W. Goldschmidt. Ang mga atomo ay kinakatawan bilang matibay na mga sphere, at sa eroplano mayroong tanging pagpipilian para sa kanilang siksik na pag-aayos (Larawan 5 a).

Kung ang pangalawang layer ay inilagay upang ang mga bola nito ay matatagpuan sa mga recesses ng unang layer, pagkatapos ay ang siksik na packing ay nakumpleto, at din sa tanging posibleng paraan (Larawan 5 b). Tulad ng para sa mga bola ng ikatlong layer, maaari silang ayusin sa dalawang paraan:

1) ang mga bola ng ikatlong layer ay nasa itaas ng mga bola ng una, ang mga bola ng ikaapat ay nasa itaas ng mga bola ng pangalawa, atbp., upang ang mga alternating layer ay tumutugma sa pagkakasunud-sunod na ABABAB (kung saan ang mga titik A at B ay nagpapahiwatig ang mga makapal na naka-pack na mga layer ay inilipat sa isa't isa sa isang pahalang na eroplano), at ang pamamaraan ng pagtula ay tumutugma sa hexagonal na pinakamalapit na packing (HCP) (Larawan 6, a);

2) ang mga bola ng ikatlong layer na may kaugnayan sa mga bola ng pangalawang layer ay matatagpuan sa paraang hindi sila nasa itaas ng mga bola ng unang layer.

Pagkatapos ay inuulit ng ikaapat na layer ang una, inuulit ng pangalawa ang ikalima, atbp. Ang paghalili ng mga layer ay tumutugma sa ABCABC ... ABC, at ang paraan ng stacking ay tumutugma sa cubic close packing (FCC) (Figure 6, b). Sa istraktura ng hcp, ang mga packing ng mga bola sa eroplano ng layer at patayo dito ay magkakaiba, habang sa istraktura ng fcc ang packing ay pareho sa alinman sa tatlong pangunahing eroplano ng cube (ibig sabihin, mas kaunting anisotropic). Sa kabila ng mga pagkakaiba, ang dalawang uri ng pinakasiksik na spherical packing na ito ay nagpapakita ng mga karaniwang feature:

1) ang proporsyon ng espasyo na inookupahan ng mga bola - ang fill factor, sa parehong mga kaso ay 74.05%;

2) ang numero ng koordinasyon ng atom ay 12;

3) sa parehong mga packing mayroong dalawang uri ng mga voids - tetrahedral, na nabuo sa pamamagitan ng apat na hawakan na mga bola, at octahedral, ayon sa pagkakabanggit, na nabuo ng anim na bola; ang isang bola na may radius ay maaaring magkasya sa isang tetrahedral void rtetra = 0,225 r, at sa isang octahedral na bola na may radius roct=0,414 r, saan r ay ang radius ng mga sphere na bumubuo sa pinakasiksik na packing;

4) sa pinakamalapit na packing, bawat bola, mayroong isang octahedral at dalawang tetrahedral voids.

Sa konsepto ng pinakamalapit na packing, ang polymorphism ay itinuturing bilang isang pagkakasunud-sunod ng paghahalili ng mga close-pack na layer na naiiba sa fcc at hcp.

Ang isang halimbawa ay ang pagkakasunud-sunod ng mga layer sa isang apat na layer na hexagonal na pakete...ABCABCC... (na tinukoy bilang 4H).

Sa mga ball packing na may mas mababang density, ang body-centered cubic packing (BCC) ang pinakakaraniwan, kung saan ang fill factor ay 68.01%.

Ang isang pakete ng ganitong uri ay maaaring makuha kung ang mga bola na may parehong laki ay inilalagay sa isang eroplano upang bumuo sila ng isang parisukat na pag-aayos, pagkatapos ay ang mga bola ng pangalawang layer ay dapat ilagay sa mga recesses na nabuo ng mga bola ng unang layer (Figure 7), ang mga bola ng ikatlong layer ay uulitin ang una, atbp. Tulad ng sa kaso ng istraktura ng hcp, ang paghahalili ng mga layer ay tumutugma sa pagkakasunud-sunod ng ABAB...AB, gayunpaman, ang bawat isa sa mga layer ay hindi close-packed ; hindi tulad ng fcc at hcp, kung saan ang bilang ng koordinasyon ng mga atomo ay 12, ang istraktura na isinasaalang-alang ay may bilang ng koordinasyon na 8.

Figure 7 - Kubiko na sala-sala na nakasentro sa katawan

Madaling makita na ang mga metal ay nailalarawan sa pamamagitan ng polymorphism (allotropy) (Figure 2), at ang isang bahagyang pagbabago sa elektronikong istraktura ng mga atom ay sapat para sa muling pagsasaayos ng kristal na sala-sala na mangyari. Ang init ng magkaparehong paglipat sa pagitan ng mga istruktura ng fcc at hcp ay hindi lalampas sa 1 kJ/mol, habang ang init ng pagsasanib ay mula 10 hanggang 40 kJ/mol.

Ang karamihan sa mga metal ay may isa sa tatlong istruktura (fcc, bcc, hcp), at Mn, Ga, In, Hg ay may katulad ngunit baluktot na mga istruktura. Sa pagitan ng uri ng istraktura at posisyon ng metal sa periodic system ng Mendeleev, mahirap makita ang mga simpleng pattern. Gayunpaman, ito ay malinaw na ang isang pagtaas sa bilang ng mga unpaired valence s- at R-mga electron sa estado na ginamit upang bumuo ng isang bono mula 1 (alkali metal) hanggang 3 (mga metal ng ikatlong pangunahing subgroup), pinapataas ang CN mula 8 (bcc lattice) hanggang 12 (fcc o hcp lattice). Sa polymorphism, ang epekto ng pagtaas sa bilang ng mga valence electron ay katumbas ng pagbaba ng temperatura o pagtaas ng presyon.

Ang lahat ng di-metal na elemento, maliban sa oxygen, ay diamagnetic. Ang mga metal, maliban sa mga kabilang sa mga pangkat 1B‑IIIB, ay paramagnetic. Sa mga metal, ang iron, cobalt at nickel ay may napakataas na magnetism. Ayon sa uri ng pag-asa sa temperatura, ang mga sumusunod na grupo ng mga metal ay maaaring makilala: ang mga magnetic na katangian ay halos hindi nagbabago hanggang sa 1100 ° C (Mo, W, Os); ang magnetic susceptibility ay sumusunod sa batas ng Curie-Weiss (K, Mg, Zn, In, Sc); ang mga katangian ng magnetic ay nagbabago lamang nang bahagya sa punto ng pagkatunaw (Na, Cd, A1); na may maanomalyang pagbabago sa magnetic properties (Ag, Au, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi) at, sa wakas, nagbabago ang magnetic properties (Zn, Tl) o hindi nagbabago (Ti, Sn) sa mga transition point. Ang hanay ng mga elemento ng kemikal na inayos alinsunod sa pana-panahong batas ni Mendeleev ay nahahati sa mga subset, iyon ay, sa halip ay nakahiwalay na mga rehiyon ng mga elemento ng kemikal na naaayon sa mga tipikal na metal, ferromagnets, superconductors, dielectrics, semiconductors, at semimetals.

Ang mga solid ay nahahati sa mga amorphous na katawan at mga kristal. Ang pagkakaiba sa pagitan ng huli at ng una ay ang mga atomo ng mga kristal ay nakaayos ayon sa isang tiyak na batas, sa gayon ay bumubuo ng isang three-dimensional na periodic stacking, na tinatawag na isang crystal lattice.

Kapansin-pansin na ang pangalan ng mga kristal ay nagmula sa mga salitang Griyego na "tumigas" at "malamig", at sa panahon ni Homer ang salitang ito ay tinawag na rock crystal, na noon ay itinuturing na "frozen ice". Sa una, ang mga faceted transparent formations lamang ang tinawag sa terminong ito. Ngunit nang maglaon, ang mga malabo at hindi pinutol na mga katawan ng natural na pinagmulan ay tinatawag ding mga kristal.

Kristal na istraktura at sala-sala

Ang isang perpektong kristal ay ipinakita sa anyo ng pana-panahong paulit-ulit na magkaparehong mga istraktura - ang tinatawag na elementarya na mga selula ng isang kristal. Sa pangkalahatang kaso, ang hugis ng naturang cell ay isang pahilig na parallelepiped.

Ito ay kinakailangan upang makilala sa pagitan ng mga naturang konsepto bilang isang kristal na sala-sala at isang kristal na istraktura. Ang una ay isang mathematical abstraction na naglalarawan ng isang regular na pag-aayos ng ilang mga punto sa espasyo. Habang ang isang kristal na istraktura ay isang tunay na pisikal na bagay, isang kristal kung saan ang isang tiyak na grupo ng mga atomo o molekula ay nauugnay sa bawat punto ng kristal na sala-sala.

Garnet crystal structure - rhombus at dodecahedron

Ang pangunahing kadahilanan na tumutukoy sa electromagnetic at mekanikal na mga katangian ng isang kristal ay ang istraktura ng elementarya na selula at ang mga atomo (molekula) na nauugnay dito.

Anisotropy ng mga kristal

Ang pangunahing pag-aari ng mga kristal na nagpapakilala sa kanila mula sa mga amorphous na katawan ay anisotropy. Nangangahulugan ito na ang mga katangian ng kristal ay iba, depende sa direksyon. Kaya, halimbawa, ang hindi nababanat (hindi maibabalik) na pagpapapangit ay nangyayari lamang sa ilang mga eroplano ng kristal, at sa isang tiyak na direksyon. Dahil sa anisotropy, iba ang reaksyon ng mga kristal sa pagpapapangit depende sa direksyon nito.

Gayunpaman, may mga kristal na walang anisotropy.

Mga uri ng kristal

Ang mga kristal ay nahahati sa mga solong kristal at polycrystal. Ang mga monocrystal ay tinatawag na mga sangkap, ang istraktura ng kristal na umaabot sa buong katawan. Ang mga nasabing katawan ay homogenous at may tuluy-tuloy na kristal na sala-sala. Karaniwan, ang gayong kristal ay may binibigkas na hiwa. Ang mga halimbawa ng isang natural na solong kristal ay mga solong kristal ng rock salt, brilyante at topaz, pati na rin ang kuwarts.

Maraming mga sangkap ay may isang mala-kristal na istraktura, bagaman sila ay karaniwang walang isang katangian na hugis para sa mga kristal. Ang mga naturang sangkap ay kinabibilangan, halimbawa, mga metal. Ipinakikita ng mga pag-aaral na ang mga naturang sangkap ay binubuo ng isang malaking bilang ng napakaliit na solong kristal - mga mala-kristal na butil o mga kristal. Ang isang sangkap na binubuo ng maraming tulad na naiibang oryentasyong solong kristal ay tinatawag na polycrystalline. Ang mga polycrystal ay madalas na walang faceting, at ang kanilang mga katangian ay nakasalalay sa average na laki ng mga mala-kristal na butil, ang kanilang pag-aayos sa isa't isa, at gayundin ang istraktura ng mga intergranular na hangganan. Kabilang sa mga polycrystal ang mga sangkap tulad ng mga metal at haluang metal, keramika at mineral, pati na rin ang iba.